本文列举了几个我们处理过的具有典型意义实例, 来说明因操作不当、设计不合理、铸造缺陷以及材料强度不够等原因造成的转向节断裂事故。通过这些例子, 介绍断裂分析的方法, 可供实际工作时参考。

　　一、操作不当

　　我们在几例转向节断裂分析工作中发现, 这些断口附近都有明显的塑性变形, 断件拼合后, 密合程度差。对断口进行仔细观察, 通过金相、化学分析和机械性能检验, 让人出乎意料的是转向节未发现任何瑕疵, 这就排除了转向节本身产品质量存在问题而导致断裂的可能。通过进一步现场调查取证, 我们了解到, 转向节断裂时, 拖拉机不是在凸凹不平的路面上快速行驶时突然断裂;就是在过横垄地、田埂时行驶速度过快产生断裂; 有的是在快速行驶过程中, 突然发生交通事故, 把转向节当场撞断。通过我们综合分析, 断定其断裂原因只有一种可能性, 即:转向节所承受的冲击力超过了材料的屈服强度, 使转向节产生了显著的塑性变形, 瞬间冲击力的进一步增大, 最终导致转向节塑性断裂。

　　二、设计不合理

　　2004 年受黑龙江省消费者协会委托, 我们对一例断裂的小四轮拖拉机转向节进行质量鉴定。该转向节是在前轮轴的内轴承颈过度圆角处齐根断裂。对断口处作仔细观察, 其断口宏观外貌较平直, 没有发生肉眼可见的塑性变形。断口处不存在气孔、疏松、夹杂等缺陷,但通过金相分析, 断口周边( 即过度圆角处) 发现了疲劳裂纹。在排除了其它因素导致转向节断裂的可能性后, 我们发现, 这个部位的圆角过分尖锐,因此, 我们对该转向节的其它部位的过度圆角 ( 与断裂位置的加工方法相同) 进行检测,结果发现, 不仅过度圆角半径设计值要求的过小, 而且实测值还远小于设计值。这就造成了转向节过度圆角处应力过于集中, 在使用中难免会产生疲劳裂纹。这些不利因素都大大降低了材料的强度, 而长期行驶过程中, 在连续较大的交变冲击力作用下, 必然会导致转向节脆性断裂。

　　三、材料强度不够

　　转向节在拖拉机工作中承载着各种动态的载荷和复合的应力, 例如: 拖拉机自重产生的弯曲力及剪切力、转向臂产生的扭力、转向时产生的拉力及摩擦力、行驶时产生的冲击力等。转向节特有的工作条件,就对其材料的综合力学性能有了很高的要求, 行业标准 JB/T5182 规定, 要采用高强度、高韧性和具有良好耐磨性能 ( 高硬度) 的合金结构钢或碳素结构钢制造。而在断裂实例中,我们居然发现以次充好、以铁代钢的现象。2003 年受黑龙江省木兰县公安交通警察大队委托, 对维峰 20 型轮式拖拉机右前轮转向节的断裂事故进行司法鉴定。在这起断裂案件中,转向节是在立轴根部过度圆角处发生脆性断裂的。我们通过化学分析得到, 转向节材料的含碳量太高, 高达 3.06%。含碳量大于 2.11%的铁碳合金为铸铁。所以, 该转向节材料是铸铁。通过金相分析, 转向节材料的金相组织形态为灰铸铁的组织形态。通过机械性能测试,转向节的抗拉强度为 370MPa;硬度为 HB163。而设计要求的抗拉强度在 735MPa 以上; 硬度在 HB241～331 的范围内。灰铸铁的机械性能根本达不到转向节技术要求的机械性能, 远远低于合金结构钢和碳素结构钢的综合性能, 强度低、塑性差,脆性较大。而长期受到较大的动态冲击力时, 就导致了转向节在最薄弱的部位 ( 应力集中处) 产生了脆性断裂 ( 即疲劳断裂) 。

　　四、铸造缺陷

　　1、气孔、疏松、缩孔等缺陷引起的转向节断裂在所有的断裂案例中, 因这种缺陷导致转向节断裂的例子比较多。在这些断口外观,我们直接发现了气孔、疏松及缩孔等。例如: 2001 年受黑龙江省鸡西市人民法院委托, 受理了一起因转向节断裂引起的仲裁检验。该转向节断口表面上就存在较大的气孔, 气孔最大尺寸高达 5mm 以上。但经综合检验分析, 材料的金相组织、化学成分、机械性能等各项指标却均符合技术要求。所以,该转向节的断裂原因比较简单,是由于存在铸造缺陷即气孔所造成的。

　　2、夹杂物引起的转向节断裂

　　2002 年受黑龙江省黑河市人民法院委托, 对一台 20 型轮式拖拉机转向节的断裂事故进行司法鉴定。在这起案例中,我们遇到了因硫化物的存在而导致转向节断裂的事故。在进行断口分析时, 该转向节断口上清晰可见贝纹线, 这是疲劳裂纹的典型特征, 是引起断裂的开始点。于是我们在裂纹源附近截取了金相试样, 结果发现了一条很短、较宽的非金属夹杂物。经化学分析, 硫的含量严重超标, 高达 1.17%, 而技术要求不超过 0.03%。根据金相组织特征和化学成分确定了该非金属夹杂物为硫化物。硫在钢中主要以硫化铁或硫化锰的形式存在。而硫化铁本身很脆,这样就显著增加了钢的脆性,降低了塑性和耐磨性。同时硫化物的存在, 还破坏了金属基体的均匀性、连续性, 夹杂物越大, 材料的韧性越低; 夹杂物间距越小, 材料的韧性和塑性越低。且在硫化物尖角处还造成了应力集中, 成为了疲劳源 ( 即疲劳裂纹的起始点) 。在外力作用下, 硫化物就与其周围金属基体的界面产生开裂,形成疲劳裂纹, 长期受到动态冲击力时, 就加快了裂纹的扩展, 直至断裂。

　　五、热处理缺陷

　　为了获得良好的综合力学性能, 以适应转向节所承受的高强负荷, 还需对转向节进行必要的热处理。即通过淬火和调质等热处理工艺, 来消除和改善组织缺陷和内应力, 以获得高强度、高硬度及良好的耐磨性。在几例断裂的实例中,有的断口特征类似操作不当造成的, 但又不是因操作不当引起的断裂。通过综合检验分析,转向节材料的化学成分虽符合设计要求, 但其金相组织并非淬火组织, 抗拉强度和硬度都偏低。从转向节外观上看好像是淬了火, 但其表面局部或全部存在着软点, 有的金属表面下层也没有淬火。根据检测结果分析, 这种现象是由于在淬火热处理工艺过程中, 局部冷却速度较慢, 或淬火温度不够,而分别引起了转向节淬火软点和淬而不硬的现象, 从而未能获得所期望的强度和硬度及耐磨性, 最终导致类似因操作不当造成的塑性断裂。

　　六、综合因素导致的断裂事故

　　大多数转向节断裂的原因并不是单纯的一种因素, 往往是因两种或两种以上的因素造成的。几种因素之间相互作用,产生的危害性更大, 导致了多种多样的断裂方式。

　　以上几种实例只是些常见的案例, 导致转向节断裂的原因很多, 还需我们不断地研究,通过断裂分析, 积累经验, 找出造成转向节断裂的原因及影响因素, 确定要改进的问题,提高产品质量, 以防重大事故的重复发生, 减少经济损失。同时, 断裂分析在我国质量仲裁、索赔活动中也起了很大的作用。通过断裂分析, 分清了责任, 为用户与经销者及生产者挽回巨大的经济损失。断裂分析不仅具有显著的经济效益,而且断裂分析积累的经验和知识又能促进科学技术的发展。因此, 断裂分析工作显得尤为重要, 日益受到国内机械行业的重视, 从而也使重大事故在逐年减少, 产生了相当可观的经济效益和社会效益。